Пасивни оптични компоненти - оптичен циркулационен кръг
Въведение
Оптичните циркулатори са микрооптични устройства и могат да бъдат направени с произволен брой портове, но най-често се срещат версии от 3 и 4 порта. Също така е обичайно да се изгради асиметрична версия, където последният порт не циркулира до първия. Това спестява някои разходи, но това не е най-важната причина за това. Ако се уверим, че последният порт не циркулира до първия, можем да използваме устройството в системи, където не се нуждаем (или искаме) тази функция. Например, ако входът към първия порт е директно свързан с лазер, ние със сигурност не искаме в него да се връщат фалшиви сигнали.
Една от най-големите атракции на оптичните циркулационни помпи е относително ниското ниво на загуба. Типичните устройства осигуряват загуба между портове и портове между 0.5 dB и 1.5 dB. Оптичните циркулатори са многостранни устройства и могат да се използват в много приложения. Например, двупосочна връзка, състояща се от две нишки от влакна (по една за всяка посока) се мултиплексира върху една нишка от влакна. Това може да се направи, за да се спестят разходите за фибри. Разбира се, ако сте направили нещо подобно, трябва да обърнете особено внимание, за да минимизирате разсъжденията върху връзката.
Принцип на работа
Сам по себе си няма един-единствен прост принцип зад оптичната циркулационна помпа. Оптични циркулатори са направени от комплект оптични компоненти. Има много различни дизайни, но основният принцип е като този на оптичния изолатор. Основната функция на циркулационната помпа е показана на фигурата по-долу. Светлината, влизаща във всеки отделен порт, обикаля циркулационната помпа и излиза от следващото пристанище. Светлината, влизаща в пристанище 1, остава на пристанище 2, влизайки в пристанище 2 на пристанище 3 и така нататък. Устройството е симетрично работещо около кръг.
Светлината, движеща се в една посока през ротатор Фарадей, има поляризация, завъртяна в една определена посока. Светлината, влизаща в ротатора на Фарадей от противоположната посока, завърта фазата си в обратна посока (по отношение на посоката на разпространение на светлината). Друг начин за разглеждане на това е да се каже, че светлината винаги се върти в същата посока спрямо ротатора, независимо от посоката на движение. Това се усложнява от наличието на непредсказуема поляризация. Можем да филтрираме нежеланата поляризация, но ще загубим (средно) половината от светлината си в това - а често и много повече. Така отделяме инцидентния “лъч” на два ортогонално поляризирани лъча и третираме всяка поляризация поотделно. След това двете половини на лъча се комбинират отново преди да бъдат изведени в пристанището на местоназначението.
Ето фигура, показваща основен 3-портов оптичен циркулатор. Неговите компоненти функционират по следния начин:
Polarizing Beam Splitter Cube : Това устройство разделя входящия лъч на два ортогонално поляризирани лъча.
Двуотражателен блок "разходка" : Това е само блок от двупроливен материал, нарязан на 45 ° спрямо оптичната ос. Лъч, инцидент в нормална до границата на въздушния кристал, се разделя на два лъча с ортогонална поляризация. Обикновеният лъч не се пречупва и не преминава през незасегнати. Изключителният лъч се пречупва под ъгъл спрямо нормалното.
Фарадей ротатор и фаза плака : тази комбинация преминава светлина в една посока напълно непроменена! (На фигурата това е посока отдясно наляво.) В обратна посока поляризацията на входящата светлина се завърта на 90 °. В лявата към дясната посока ротаторът на Фарадей дава фазово завъртане на 45 ° (по посока на часовниковата стрелка) и фазовата плоча завърта светлината още 45 ° (също по посока на часовниковата стрелка). По този начин се получава въртене 90 ° по посока на часовниковата стрелка. В дясно-лявата посока фазовата пластина завърта светлината в същата посока (по отношение на посоката на светлинния лъч), както преди, тоест срещу часовниковата стрелка на 45 °. Ротаторът на Фарадей обаче завърта фазата в противоположна посока (по отношение на посоката на лъча), както преди, тоест по посока на часовниковата стрелка от същата 45 °. Това означава, че фазата се завърта в обратна посока. По този начин няма нетна промяна в поляризацията. (Разбира се на практика има загуби, дължащи се на отражения и несъвършенства в производството на устройства.)
Както е показано в 3-портовия оптичен циркулатор, светлината преминава от порт 1 към порт 2 по следния начин:
1. Входящият лъч на порт 1 се разделя на два отделни лъча с ортогонални поляризации. "Обикновеният" лъч преминава без пречупване, но ортогонално поляризираният "извънреден" лъч се пречупва (нагоре на фигурата).
2. И двата лъча преминават от ляво на дясно през ротатора на Фарадей и плаките за забавяне на фазите. И двата лъча се завъртат на 90 °.
3. След това двата лъча се срещнат с друг двупролетен преходен блок (блок В), идентичен с първия. Ефектът от фазата на въртене в предишния етап беше да се промени мястото на лъчите. Лъчът, който е бил обикновен лъч в блок А (и не е пречупен), става извънреден лъч в блок В (и се пречупва в блок В). Изключителният лъч в блок А (горната пътека на фигурата) става обикновен лъч в блок В (и не се пречупва в блок В). Светлината се пречупва и се комбинира, както е показано. След това се извежда към порт 2.
Присъединяването към влакното на входа и изхода обикновено използва някакъв обектив. Обикновено тук може да се използва GRIN обектив. Пътят от Port 2 до Port 3 е малко по-ангажиран:
1. Светлината, влизаща от порт 3, се разделя на блок Б.
2. При движение в обратна посока поляризацията на двата лъча е непроменена.
3. Двойнопречупващият се блок А преминава непроменен горния лъч, но измества долната. След това двата лъча се комбинират повторно с помощта на рефлекторната призма и поляризиращия куб за излъчване на светлинни лъчи.
Забележка: Ако свързвате само портове 1 и 2, оптичната циркулационна помпа може да се използва като оптичен изолатор . Всъщност, ако изпуснете кубчето и рефлекторната призма, имате отличен (много ниска загуба) поляризационен независим изолатор. Път от порт 3 към порт 1 може да бъде конструиран чрез добавяне на допълнителни компоненти; за повечето приложения това не е необходимо, тъй като не искаме връзката от порт 3 към порт 1 така или иначе.
заключение
Има много начини за конструиране на оптични циркулационни помпи (3 и 4 порта). Всички тези начини използват комбинации от компоненти и подобни принципи като описаните по-горе. Най-големият проблем с оптичните циркулационни помпи е, че компонентите трябва да бъдат произведени с много близки допуски и да са разположени изключително точно. Това води до относително високи разходи. Въпреки това, можете да намерите рентабилни оптични циркулатори в FOCC .
